Universita’ di Bari HARDY-WEINBERG by GP&NA Universita’ di Bari Aspetti diversi dell’ereditarieta’ La genetica classica studia i processi genetici che riguardano i singoli individui e come i geni vengono trasmessi da un individuo all’altro. L’unita’ di studio e’ l’individuo. La genetica molecolare studia la natura molecolare dell’eredita’: come viene codificata nel DNA e come i processi biochimici la traducano in un fenotipo. L’interesse e’ concentrato sulla cellula La genetica di popolazione studia l’ereditarieta’ di caratteri determinati da uno o pochi geni in gruppi di individui La genetica quantitativa studia l’ereditarieta’ di caratterideterminati dall’azione simultanea di piu’ geni, all’interno di gruppi di individui by GP&NA Universita’ di Bari La genetica di popolazione La genetica di popolazione studia l’ereditarieta’ di caratteri determinati da uno o pochi geni in gruppi di individui: in una popolazione mendeliana Popolazione mendeliana: gruppo di individui interfertili che condividono un insieme di alleli: il pool genico. Tutti gli individui di una specie condividono gli stessi locus. I locus possono presentare piu’ alleli: gruppi di individui possono presentare assortimenti allelici differenti: genotipi differenti by GP&NA Universita’ di Bari Domande Quanta variabilita’ esiste in una popolazione naturale e da cosa e’ originata ? Quali processi evolutivi modellano la stuttura genetica delle popolazioni ? Da cosa sono provocate le differenze nella struttura genetica delle diverse popolazioni ? In che modo le caratteristiche biologiche influenzano il pool genico di una popolazione ? by GP&NA Universita’ di Bari Frequenze genotipiche Quanta variabilita’ esiste in una popolazione naturale e da cosa e’ originata ? La struttura genetica di una popolazione viene espressa in termini sia di frequenza allelica che genotipica Per calcolare la frequenza genotipica basta contare gli individui con un certo fenotipo e dividere per il totale degli individui. La somma dei diversi genotipi deve essere = 1 by GP&NA Universita’ di Bari Frequenze genotipiche In una popolazione naturale sono presenti 3 fenotipi facilmente distinguibili dovuti a 2 alleli del locus A: A1A1 452, A1A2 43, A2A2 2 tot= 497 Frequenze genotipiche: f(A1A1)= 452/497 =0.909 f(A1A2)= 43/497 =0.087 f(A2A2)= 2/497 =0.004 La somma e’ 1 e le singole percentuali descrivono quantitativamente il pool genico per quel locus all’interno del gruppo di individui che sto considerando Le frequenze in un altro gruppo di individui della stessa specie potrebbero essere diverse o essere presente un terzo allele e quindi essere presenti 6 genotipi la cui somma sara’ sempre 1 by GP&NA Universita’ di Bari Frequenze alleliche E’ piu’ vantaggioso descrivere il pool genico in termini di frequenza degli alleli: negli organismi a riproduzione sessuale sono gli alleli ad essere trasmessi alla generazione successiva. Inoltre gli alleli sono meno dei genotipi: se ci sono 2 alleli ad un locus ci sono 3 genotipi, se 3 alleli 6 genotipi e cosi’ via. Le frequenze genotipiche derivano dalla quantita’ di gameti che portano un certo allele: la probabilita’ che si origini un certo genotipo dipende dalla frequenza degli alleli che lo compongono. by GP&NA Universita’ di Bari Frequenze alleliche come si calcolano Per calcolare la frequenza degli alleli di un certo locus possiamo utilizzare: i numeri assoluti dei diversi genotipi: quanti individui con i diversi genotipi sono stati osservati le frequenze genotipiche calcolate dividendo il numero dei genotipi per il totale delle osservazioni by GP&NA Universita’ di Bari Frequenze alleliche esempio a partire dai numeri assoluti dei diversi genotipi(quanti individui con i diversi genotipi sono stati osservati) Popolazione di 1000 individui: A1A1 353, A1A2 494, A2A2 153 Frequenza allelica = numero di copie di un allele totale degli alleli Se considero il pool genico di questo locus come un sacchetto contenente tutti gli alleli: quanti sono gli alleli A1 e quanti A2 ? by GP&NA Universita’ di Bari Frequenze alleliche esempio Gli alleli A1 sono: 353x2 (gli omozigoti introducono nel sacchetto 2 alleli) + 494 (gli eterozigoti introducono solo 1 allele A1) Gli alleli A2 sono: 153x2 (gli omozigoti introducono nel sacchetto 2 alleli) + 494 (gli eterozigoti introducono solo 1 allele A2) ANCHE IL TOTALE DEVE ESSERE MOLTIPLICATO X 2: GLI ORGANISMI DIPLOIDI INTRODUCONO NEL POOL 2 ALLELI INDIPENDENTEMENTE DA QUALE ALLELE by GP&NA Universita’ di Bari Frequenze alleliche p=f(A1) = (353x2) + 494 = 1200 = 0.60 2000 2000 q = f(A2) = (153x2) + 494 = 800 = 0.40 2000 2000 p+q = 1 da cui si puo’ dedurre che una volta calcolato uno dei due: 1-p = q e viceversa by GP&NA Universita’ di Bari Frequenze alleliche Per calcolare la frequenza degli alleli di un certo locus possiamo utilizzare: i numeri assoluti dei diversi genotipi: quanti individui con i diversi genotipi sono stati osservati le frequenze genotipiche: calcolate dividendo il numero dei genotipi per il totale delle osservazioni by GP&NA Universita’ di Bari Frequenze alleliche esempio a partire dalle frequenze genotipiche calcolate dividendo il numero dei genotipi per il totale delle osservazioni f(A1A1) = 353 = 0.353 f(A1A2) = 494 = 0.494 1000 1000 f(A2A2) = 153 = 0.153 1000 p= f(A1) = 0.353 + 1/2(0.494) = 0.353 + 0.247 = 0.60 p= f(A2) = 0.153 + 1/2(0.494) = 0.153 + 0.247 = 0.40 Questo modo di calcolare le frequenze e’ piu’ rapido, ma meno preciso perche’ il numero di arrotondamenti e’ maggiore si preferisce il precedente by GP&NA Universita’ di Bari Antigeni M e N fenotipi osservati M MN N frequenze geniche p(M) q(N) 140 83 46 11 0,76 0,24 Brooklyn 1849 541 903 405 0,54 0,46 aborigeni australiani 102 3 44 55 0,25 0,75 beduini 208 119 76 13 0,76 0,24 popolazione Pueblo by GP&NA # individui Universita’ di Bari Frequenze alleliche alleli multipli Se un locus ha piu’ di due alleli il modo di calcolare le frequenze alleliche e genotipiche non cambia. E’ solo un po’ piu’ lungo. p=f(A1)= (2x A1 A1) + A1 A2 + A1 A3 + A1 A4 etc… 2x num. totale degli individui q=f(A2)= (2x A2 A2) + A1 A2 + A2 A3 + A2 A4 etc… 2x num. totale degli individui r=f(A3)= (2x A3 A3) + A1 A3 + A2 A3 + A3 A4 etc… 2x num. totale degli individui Non si sommano tutti gli eterozigoti, ma solo quelli che hanno l’allele considerato di volta in volta by GP&NA Universita’ di Bari Frequenze alleliche alleli multipli a partire dalle frequenze genotipiche calcolate dividendo il numero dei genotipi per il totale delle osservazioni p=f(A1)= f(A1 A1) + 1/2f(A1 A2) + 1/2f(A1 A3) + 1/2f(A1 A4) q=f(A2)=f(A2 A2) +1/2f(A1 A2) +1/2f(A2 A3) +1/2f(A2 A4) … r=f(A3)=f(A3 A3) +1/2f(A1 A3) +1/2f(A2 A3) +1/2f(A3 A4) … … ESEMPIO CON LE VARIANTI DELL’EMOGLOBINA by GP&NA Universita’ di Bari Frequenze alleliche alleli Genotipi: AA(2017) AS(783) SS(4) AC(173) multipli:varianti dell’emoglobina SC(14) CC(11) totale 3002 frequenza GENOTIPICA= N. individui di un dato genotipo/N.tot.degli individui f(AA)= 2017 =0,672 3002 f(AS)= 783 =0,261 3002 f(SS)= 4 =0,0013 3002 f(AC)= 173 =0,058 3002 f(SC)= 14 =0,0047 3002 f(CC)= 11 =0,0037 3002 frequenza allelica dalle frequenze genotipiche: fA1)=f(A1A1)+1/2f(A1A2)+1/2f(A1A3) f(A)=0,672+1/2x0,261+1/2x0,058 = 0,853 f(S)=0,0013+1/2x0,261+1/2x0,0047 = 0,134 f(C)=0,0037++1/2x0,058+1/2x0,0047 = 0,035 frequenza ALLELICA=N.di copie di un allele nella popolazione/totale degli alleli nella popolazione f(A1)= (2x#individuiA1A1)+#A1A2+#A1A3 (2x#tot.individui) f(A)= 2x2017+783+173 = 4990 = 0,831 2x3002 6004 f(S)= 2x4+783+14 = 805 = 0,134 2x3002 6004 f(C)= 2x11+173+14 = 209 = 0,035 2x3002 6004 by GP&NA Universita’ di Bari Frequenze alleliche locus X-linked In questo caso la situazione e’ complicata dal fatto che i maschi posseggono un solo allele e le femmine eterozigoti due alleli a partire dai numeri assoluti dei diversi genotipi (quanti individui con i diversi genotipi sono stati osservati) p=f(A1)= (2x A1 A1)femmine + A1 A2femmine + A1 maschi (2x num. tot. dellefemmine) + num. tot. dei maschi p=f(A2)= (2x A2 A2)femmine + A1 A2femmine + A2 maschi (2x num. tot. dellefemmine) + num. tot. dei maschi by GP&NA Universita’ di Bari Frequenze alleliche locus x-linked a partire dalle frequenze genotipiche calcolate dividendo il numero dei genotipi per il totale delle osservazioni p=f(A1)= f(A1 A1)femmine +1/2f(A1 A2)femmine +f(A1) maschi q=f(A2)= f(A2 A2)femmine +1/2f(A1 A2)femmine +f(A2) maschi OVVIAMENTE LE FREQUENZE DEI DIVERSI GENOTIPI SONO DELLE PERCENTUALI E SI CALCOLANO SEMPRE: NUM. DEGLI INDIVIDUI CON QUEL GENOTIPO (MASCHI+ FEMMINE) DIVISO IL TOTALE DELLE OSSERVAZIONI by GP&NA Universita’ di Bari HARDY-WEINBERG Quando una popolazione e’ all’equilibrio per un certo locus con 2 alleli presenti nella popolazione con frequenza p e q le frequenze genotipiche saranno uquali a p2+2pq +q2 Da dove viene questa formula? Dalla I legge di Mendel: A a A AA Aa a Aa aa by GP&NA p q p p2 pq q pq q2 lucido Universita’ di Bari H-W Prova algebrica dell’equilibrio genetico in una popolazione naturale Tipo di incrocio F M Frequenza dell’incrocio p2AA x p2AA p4 p2AA x 2pqAa 2pqAa x p2AA 4p3q p2AA x q2aa q2aa x p2AA Frequenza della progenie di ogni incrocio AA Aa -- -- 2p3q 2p3q -- 2p2q2 -- 2p2q2 -- 2pqAa x 2pqAa 4p2q2 p2q2 2p2q2 p2q2 2pqAa x q2aa q2aa x 2pqAa 4pq3 -- 2pq3 2pq3 q4 -- -- q4 q2aa x Totali q2aa (p2+2pq+ q2 )2=1 p4 aa p2(p2+2pq+q2)=p2 2pq(p2+2pq+q2)=2pq q2(p2+2pq+q2)=q2 Frequenze genotipiche = (p+q)2 = p2+2pq+q2= 1 in ogni generazione successiva Frequenze alleliche = p(A) +q(a) = 1 in ogni generazione successiva by GP&NA Universita’ di Bari Cosa vuol dire equilibrio In una popolazione infinitamente grande, in cui gli incroci avvengono casualmente , in cui non vi siano mutazioni, ne’ migrazioni, ne’ selezione le frequenze alleliche in locus con 2 alleli non cambiano nel tempo, e le frequenze genotipiche si stabilizzano secondo le proporzioni: p2 + 2pq + q2. La somma sara’ sempre =1 Stiamo parlando di un singolo locus la legge di Hardy-wienberg si applica ad un locus alla volta. Va sempre tenuto presente che H-W e’ un modello matematico che ci fornisce “un’ipotesi zero” cioe’ un punto di partenza per saggiare gli effetti che possono modificare le frequenze alleliche: ci permette di individuare le forze che fanno evolvere una popolazione naturale by GP&NA Universita’ di Bari Deriva genetica I Cosa vuol dire “ infinitamente grande”? Le popolazioni non sono infinite, ma di solito sono sufficientemente grandi da vanificare gli effetti casuali delle variazioni alleliche cioe’ di annullare la deriva genetica. Le variazioni casuali sono originate da fenomeni che non hanno niente a che vedere con il pool genico della popolazione. o con il singolo locus che si sta considerando. Esempio tipico sono le catastrofi naturali che non uccidono gli individui sulla base del loro patrimonio genetico. Oppure il numero ridotto di progenie che non permette a tutte le possibili combinazioni di verificarsi by GP&NA Universita’ di Bari Deriva genetica II Il numero ridotto di progenie e’ una delle cause principali della deriva genetica: e’ come lanciare una moneta un numero limitato di volte. Si verifica un errore di campionamento Un modo per calcolare il peso della deriva e’ quello di considerare la grandezza effettiva della popolazione Il senso comune porterebbe a considerare che la grandezza effettiva sia semplicemente numero degli individui in grado di riprodursi. SBAGLIATO! by GP&NA Universita’ di Bari Deriva genetica III Nelle popolazioni a riproduzione sessuata e’ importante considerare il rapporto femmine/maschi: entrambi contribuiscono al 50% del pool genetico della generazione successiva. Se il rapporto non e’ 1, in realta’ e’ come se la popolazione fosse molto piu’ piccola e quindi piu’ esposta alle fluttuazioni casuali. Due effetti sono stati individuati come causa della deriva Effetto del fondatore Effetto del collo di bottiglia by GP&NA Universita’ di Bari Conseguenze della deriva Come conseguenza della deriva un allele puo’ andare perso . Si dice che il rimanente (nel caso di 2 alleli) si e’fissato. Non ci sara’ piu’ variazione di frequenza per lui(finche’ per effetto di una nuova mutazione non si originera’ un altro allele) Esempio del tifone, dell’effetto del fondatore, popolazioni isolate by GP&NA Universita’ di Bari Antigeni M e N fenotipi osservati M MN N frequenze geniche p(M) q(N) 140 83 46 11 0,76 0,24 Brooklyn 1849 541 903 405 0,54 0,46 aborigeni australiani 102 3 44 55 0,25 0,75 beduini 208 119 76 13 0,76 0,24 popolazione Pueblo by GP&NA # individui Universita’ di Bari Incroci casuali In una popolazione infinitamente grande, in cui gli incroci avvengono casualmente , in cui non vi siano mutazioni, ne’ migrazioni, ne’ selezione Cosa vuol dire incroci casuali ? Che i fenotipi originati dagli alleli del locus che sto considerando non condizionano la possibilita’ di riprodursi del portatore: cioe’ tutti i genotipi hanno la stessa possibilita’ di fornire alleli al pool della generazione successiva. Es. gruppi sanguigni . BISOGNA SCEGLIERE CON ATTENZIONE IL LOCUS DA STUDIARE by GP&NA Universita’ di Bari Incroci casuali II In una popolazione infinitamente grande, in cui gli incroci avvengono casualmente , in cui non vi siano mutazioni, ne’ migrazioni, ne’ selezione L’inincrocio e’ un classico esempio di incrocio non casuale e ha come conseguenza di ridurre l’eterozigosita’ ma non la frequenza allelica . In piccole popolazioni puo’ avere lo stesso effetto della deriva alterando la frequenza degli alleli by GP&NA Universita’ di Bari Mutazioni-Migrazione-Selezione In una popolazione infinitamente grande, in cui gli incroci avvengono casualmente , in cui non vi siano mutazioni, ne’ migrazioni, ne’ selezione Le mutazioni sono all’origine dell’insorgenza degli alleli. In una popolazione dove c’e’ un solo allele ovviamente non ha senso parlare di equilibrio. Se in una popolazione ci sono piu’ di un allele e per effetto dell’ambiente continuano ad originarsi nuovi alleli questi non raggiungeranno mai l’equilibrio e le loro frequenze cambieranno nel tempo. La migrazione ottiene lo stesso effetto: se individui provenienti da una popolazione migrano nell’habitat di un’altra porteraano nella seconda i loro alleli che potrebbero essere diversi. La frequenza cambia e se i flussi genici continuano nel tempo non si raggiungera’ mai l’equilibrio La selezione naturale agisce selezionando nel pool genico di una popolazione i genotipi piu adatti ad un certo ambiente: un certo genotipo ha piu’ possibilita’ dell’altro di contribuire alla generazione successiva: HA FITNESS MAGGIORE (Es talassemia, falcemia etc) by GP&NA Universita’ di Bari HARDY- WEINBERG II In una popolazione infinitamente grande, in cui gli incroci avvengono casualmente , in cui non vi siano mutazioni,ne’ migrazioni, ne’ selezione le frequenze alleliche in locus con 2 alleli non cambiano nel tempo, e le frequenze genotipiche si stabilizzano secondo le proporzioni: p2 + 2pq + q2. Va sempre tenuto presente che H-W e’ un modello matematico che ci fornisce “un’ipotesi zero” cioe’ un punto di partenza per saggiare gli effetti che possono modificare le frequenze alleliche: ci permette di individuare le forze che fanno evolvere una popolazione naturale Quando esaminando una popolazione trovo che le frequenze genotipiche si discostano significativamente dall’atteso vuol dire che una delle condizioni e’ venuta meno by GP&NA Universita’ di Bari Uso di H-W Come si puo’ utilizzare H-W quando uno o piu’ alleli sono recessivi? Bisogna ricordare che la frequenza di un allele raro e recessivo e’ piu’ alta della frequenza del carattere e questo e’ ancora piu’ vero per gli alleli patologici Sono gli eterozigoti che trasmettono l’allele alle generazioni successive Albinismo da mancanza di attivita’ tirosinochinasica 1/40.000 (0.000025) aa = q2 a = q = 0.005 A = p= 1-0.005= 0.995 Aa = 2pq = 0.00995 (~1%) by GP&NA Universita’ di Bari Uso di H-W Albinismo da mancanza di attivita’ tirosinochinasica 1/40.000 (0.000025) aa = q2 a = q = 0.005 A = p= 1-0.005= 0.995 Aa = 2pq = 0.00995 (~1%) Albinismo da mancanza di attivita’ tirosinochinasica nella tribu’ Hopi: 26/6000 aa = q2 (0.0043) a = q = 0.065 A=p =1-q = 1-0.065 = 0.935 Aa = 2pq = 0,122 e’ evidente che c’e’ una differenza significativa : ci deve essere stato nel corso del tempo qualcosa che ha permesso la diffusione dell’allele by GP&NA Universita’ di Bari Domande Quanta variabilita’ esiste in una popolazione naturale e da cosa e’ originata ? Quali processi evolutivi modellano la stuttura genetica delle popolazioni ? Da cosa sono provocate le differenze nella struttura genetica delle diverse popolazioni ? In che modo le caratteristiche biologiche influenzano il pool genico di una popolazione ? by GP&NA